基于TCL 語言的麥弗遜懸架系統(tǒng)仿真二次開發(fā)

王濤，賈海峰，武小一

1.中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院 汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130013 2.吉林省教育學(xué)院 吉林省基礎(chǔ)教育網(wǎng)絡(luò)信息中心，吉林 長春 130011

乘用車懸架強(qiáng)度耐久性能開發(fā)的一般流程是：底盤設(shè)計(jì)工程師完成懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)[1?4]；載荷開發(fā)工程師分解懸架硬點(diǎn)靜、動(dòng)態(tài)載荷；強(qiáng)度耐久仿真工程師完成副車架、轉(zhuǎn)向節(jié)、控制臂等單件結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核及優(yōu)化改進(jìn)；試驗(yàn)工程師進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)驗(yàn)證首先要進(jìn)行的是懸架系統(tǒng)靜態(tài)大負(fù)荷及單軸耐久試驗(yàn)，然后進(jìn)行整車承載系耐久試驗(yàn)。CAE 仿真工程師除了要對(duì)懸架系統(tǒng)單件結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析及優(yōu)化外，針對(duì)懸架系統(tǒng)靜態(tài)大負(fù)荷及單軸耐久臺(tái)架試驗(yàn)，還需要進(jìn)行懸架系統(tǒng)仿真，其目的主要有以下3 點(diǎn)：1)通過懸架系統(tǒng)仿真，對(duì)比系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)，完善系統(tǒng)仿真模型，從而提升懸架系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)一次成功率；2)可以預(yù)測懸架系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，從而指導(dǎo)懸架系統(tǒng)“失效鏈”設(shè)計(jì)；3)測試懸架系統(tǒng)各方向承載能力。然而，懸架系統(tǒng)仿真建模涉及彈簧、襯套、局部坐標(biāo)系等眾多因素，模型復(fù)雜，建模周期長，不同工程師建模方法不一，導(dǎo)致同一個(gè)懸架系統(tǒng)強(qiáng)度耐久仿真結(jié)果一致性差[5]。

本文基于TCL 腳本語言[6?8]，以麥弗遜懸架系統(tǒng)為研究對(duì)象，將懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)及襯套局部坐標(biāo)系坐標(biāo)、襯套剛度、彈簧剛度、輪心載荷定制成標(biāo)準(zhǔn)模板，編寫麥弗遜懸架系統(tǒng)自動(dòng)化建模程序[9?12]。首先，實(shí)現(xiàn)梁單元?jiǎng)偠鹊刃壹芟到y(tǒng)自動(dòng)化建模；其次，基于梁單元等效懸架系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)如副車架、轉(zhuǎn)向節(jié)、下控制臂等麥弗遜懸架典型結(jié)構(gòu)件的自動(dòng)化替換；再次，實(shí)現(xiàn)懸架系統(tǒng)的自動(dòng)化加載及強(qiáng)度耐久仿真；最后，通過臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。該方法可推廣應(yīng)用于雙橫臂、E 型多連桿、T 型臂等各類懸架系統(tǒng)強(qiáng)度耐久性能開發(fā)，與傳統(tǒng)單部件算法雙措并舉，大幅提升底盤產(chǎn)品一次設(shè)計(jì)成功率，縮短開發(fā)周期。

1 基于TCL 腳本語言的程序設(shè)計(jì)

1.1 麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)及傳統(tǒng)手動(dòng)建模方法

麥弗遜懸架是當(dāng)今世界應(yīng)用最廣泛的轎車前懸架之一[13]，由螺旋彈簧、減振器、下控制臂、橫向穩(wěn)定桿及連桿組成。減振器上端通過帶軸承的隔振塊總成與車身相連，減振器的下端與轉(zhuǎn)向節(jié)固連，下控制臂外端通過球頭與轉(zhuǎn)向節(jié)連接，內(nèi)端前、后點(diǎn)通過橡膠襯套與副車架連接，穩(wěn)定桿連桿上端和下端分別通過球頭與減振器和穩(wěn)定桿連接，穩(wěn)定桿通過橡膠襯套與副車架連接。

建立典型的麥弗遜懸架系統(tǒng)強(qiáng)度耐久分析模型，需要手動(dòng)完成66 個(gè)硬點(diǎn)坐標(biāo)輸入、26 個(gè)硬點(diǎn)局部坐標(biāo)系建立、40 種材料特征建立、42 種屬性建立、42 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組件建立、16 種梁截面特征建立、66 個(gè)節(jié)點(diǎn)集合建立等。手動(dòng)完成1 個(gè)麥弗遜懸架系統(tǒng)強(qiáng)度耐久分析模型及調(diào)試至少需要8 h，建模復(fù)雜、周期長，不同工程師建立同一個(gè)懸架系統(tǒng)方法不統(tǒng)一，從而導(dǎo)致分析結(jié)果不一致。

1.2 TCL 程序設(shè)計(jì)

如果把懸架系統(tǒng)的硬點(diǎn)坐標(biāo)及襯套局部坐標(biāo)系坐標(biāo)、襯套及彈簧剛度、輪心工況載荷固化為標(biāo)準(zhǔn)模板，同時(shí)考慮同一類懸架系統(tǒng)不同的拓?fù)溥B接關(guān)系，如麥弗遜懸架系統(tǒng)，穩(wěn)定桿連桿可能連接在減振器上，也可能連接在下控制臂上。利用TCL 腳本語言中循環(huán)控制命令，實(shí)現(xiàn)一類懸架系統(tǒng)多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的梁單元等效懸架自動(dòng)化建模。實(shí)現(xiàn)真實(shí)懸架系統(tǒng)自動(dòng)化建模的核心思想是基于梁單元等效懸架系統(tǒng)模型的自動(dòng)化替換，且可以根據(jù)實(shí)際分析需求，實(shí)現(xiàn)單一部件單側(cè)或者對(duì)稱替換，多部件單側(cè)或者對(duì)稱替換。基于TCL 腳本語言的程序設(shè)計(jì)流程如圖1 所示，圖中建立的麥弗遜懸架系統(tǒng)，穩(wěn)定桿連桿與減振器連接，故穩(wěn)定桿連桿與減振器交叉處用黑色圓圈表示。同時(shí)應(yīng)用C#語言完成用戶界面開發(fā)。

圖1 基于TCL 腳本語言的程序設(shè)計(jì)流程

2 基于程序的麥弗遜懸架自動(dòng)化建模

2.1 建模前模板準(zhǔn)備

應(yīng)用自動(dòng)化程序建立麥弗遜懸架系統(tǒng)模型之前，首先需要準(zhǔn)備3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化sheet 表：懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)及襯套局部坐標(biāo)系坐標(biāo)模板、襯套剛度模板以及輪心工況載荷模板，模板文件分別作為3 個(gè)sheet 表組成1 個(gè)excel 輸入文件。由于3 個(gè)sheet表的格式已經(jīng)固化，并且對(duì)于不同車型的麥弗遜懸架，只需要調(diào)整硬點(diǎn)坐標(biāo)、襯套剛度和工況載荷就可以應(yīng)用于不同車型的麥?zhǔn)綉壹芟到y(tǒng)自動(dòng)化建模，故稱sheet 表為模板文件，3 個(gè)模板文件見表1～3。

表1 硬點(diǎn)坐標(biāo)及局部坐標(biāo)系坐標(biāo)模板

表2 襯套剛度模板

表3 載荷工況模板

在硬點(diǎn)坐標(biāo)及局部坐標(biāo)系坐標(biāo)模板文件中，包含了麥弗遜懸架系統(tǒng)中所有硬點(diǎn)坐標(biāo)及定義襯套局部坐標(biāo)系時(shí)用到的坐標(biāo)，襯套剛度模板文件中包含所有襯套剛度信息，載荷工況模板文件中包含所有載荷工況輪心處的載荷。

2.2 自動(dòng)化建模

應(yīng)用自動(dòng)化建模程序，導(dǎo)入excel 輸入文件，選擇懸架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即穩(wěn)定桿連桿連接位置，自動(dòng)化程序用30 s 左右時(shí)間完成梁單元等效懸架系統(tǒng)建模，等效麥弗遜懸架系統(tǒng)模型如圖2 所示。

圖2 梁單元等效麥弗遜懸架有限元模型

基于梁單元等效懸架系統(tǒng)模型，根據(jù)仿真需求，從網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)庫中選擇要替換的麥弗遜懸架典型結(jié)構(gòu)，如副車架、下控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、穩(wěn)定桿及連桿等，程序根據(jù)硬點(diǎn)坐標(biāo)容差，替換相應(yīng)位置的等效梁單元，替換可以實(shí)現(xiàn)單一部件單側(cè)替換、單一部件對(duì)稱替換、多部件單側(cè)替換和多部件對(duì)稱替換，麥弗遜懸架強(qiáng)度耐久仿真模型替換模式如圖3、4 所示。

圖3 單一部件單側(cè)及對(duì)稱替換

圖4 多部件單側(cè)及對(duì)稱替換

懸架系統(tǒng)模型加載過程，工程師只需選擇載荷工況類型，程序調(diào)用麥弗遜懸架邊界及載荷模板，完成自動(dòng)化加載。從模板文件準(zhǔn)備到麥弗遜懸架系統(tǒng)仿真模型建立完成只需30 min，建模效率提升90%以上。

3 仿真與驗(yàn)證

3.1 基于程序的麥弗遜懸架系統(tǒng)仿真

基于某車型的麥弗遜懸架系統(tǒng)，準(zhǔn)備硬點(diǎn)坐標(biāo)、襯套剛度等模板，應(yīng)用自動(dòng)化程序建立梁單元?jiǎng)偠鹊刃壹芟到y(tǒng)模型，如圖5 所示。基于等效懸架模型，從網(wǎng)格模型庫中選擇下控制臂網(wǎng)格模型進(jìn)行自動(dòng)化單側(cè)替換，如圖6 所示。

圖5 某車型麥弗遜等效懸架有限元模型

圖6 某車型麥弗遜懸架有限元模型

麥弗遜式前懸架靜態(tài)大負(fù)荷工況主要考核3 個(gè)方向的承載能力，分別是縱向向后、垂直向上、側(cè)向向內(nèi)。垂直向上和側(cè)向向內(nèi)大負(fù)荷工況下，系統(tǒng)仿真結(jié)果滿足強(qiáng)度要求；而縱向向后大負(fù)荷工況中，當(dāng)懸架系統(tǒng)輪心位置載荷施加到60 kN 時(shí)，下三角控制臂發(fā)生屈曲，麥弗遜懸架系統(tǒng)下控制臂仿真結(jié)果如圖7 所示。

圖7 懸架系統(tǒng)中下控制臂屈曲變形

3.2 仿真結(jié)果驗(yàn)證

3.2.1 單件算法驗(yàn)證

建立麥弗遜前懸架系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)模型，裝配模型包含懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、穩(wěn)定桿系統(tǒng)和懸架仿真試驗(yàn)臺(tái)。輪心施加縱向向后載荷60 kN，通過多體動(dòng)力學(xué)載荷分解得到下控制臂外點(diǎn)載荷56.20 kN，此載荷作為下控制臂單件計(jì)算時(shí)屈曲載荷的目標(biāo)值。建立下控制臂單件屈曲仿真模型，有限元模型需要考慮材料非線性，前內(nèi)點(diǎn)約束1?3 自由度，后內(nèi)點(diǎn)約束2?3 自由度，外點(diǎn)約束3 自由度，控制臂屈曲仿真模型如圖8 所示。

圖8 單件算法控制臂屈曲仿真模型

單件計(jì)算下控制臂的屈曲載荷為56.07 kN，與通過多體動(dòng)力學(xué)分解得到的下控制臂屈曲目標(biāo)載荷一致。下控制臂屈曲仿真結(jié)果如圖9 所示。

圖9 下控制臂單件承載能力曲線

3.2.2 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

搭建麥弗遜懸架系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，包含試驗(yàn)夾具、作動(dòng)器、轉(zhuǎn)向節(jié)、下控制臂、副車架、橡膠襯套和連接球頭等，懸架系統(tǒng)調(diào)整為整車滿載狀態(tài)，在麥弗遜前懸架系統(tǒng)靜態(tài)大負(fù)荷試驗(yàn)中，垂直向上和側(cè)向向內(nèi)工況均未發(fā)生破壞。縱向輪心向后大負(fù)荷工況中，輪心處緩慢施加向后載荷。第1 輪試驗(yàn)，輪心載荷施加到60.15 kN 時(shí)，下控制臂發(fā)生屈曲；第2 輪試驗(yàn)，輪心載荷施加到60.82 kN 時(shí)，下控制臂發(fā)生屈曲；第3 輪試驗(yàn)，輪心載荷施加到60.34 kN 時(shí)，下控制臂發(fā)生屈曲。實(shí)物臺(tái)架及試驗(yàn)結(jié)果如圖10～12 所示。臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明：下控制臂發(fā)生屈曲變形的位置與懸架系統(tǒng)仿真結(jié)果一致。進(jìn)一步驗(yàn)證了懸架系統(tǒng)仿真結(jié)果的正確性，從而驗(yàn)證了程序的正確性。

圖10 懸架系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)

圖11 下控制臂在實(shí)物臺(tái)架系統(tǒng)中屈曲

圖12 三輪試驗(yàn)屈曲下控制臂示意

4 結(jié)論

1)基于TCL 腳本語言，定制麥弗遜懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)、襯套剛度和輪心載荷標(biāo)準(zhǔn)模板，實(shí)現(xiàn)梁單元?jiǎng)偠鹊刃У柠湼ミd懸架系統(tǒng)自動(dòng)化建模。

2)基于梁單元等效的麥弗遜懸架系統(tǒng)有限元模型，實(shí)現(xiàn)副車架、控制臂和轉(zhuǎn)向節(jié)等懸架典型結(jié)構(gòu)自動(dòng)化替換，并且可以根據(jù)仿真需要，進(jìn)行單一零部件單側(cè)和對(duì)稱替換、多部件單側(cè)和對(duì)稱替換。

3)通過單件仿真和臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了程序的正確性，該方法可推廣應(yīng)用于各類懸架系統(tǒng)靜強(qiáng)度及單軸耐久性能開發(fā)。結(jié)合多體靜態(tài)載荷分解、虛擬迭代及動(dòng)態(tài)載荷譜分解技術(shù)，提升底盤產(chǎn)品一次設(shè)計(jì)成功率。

隨著乘用車市場競爭越演越烈，產(chǎn)品快速更新迭代已經(jīng)成為占據(jù)市場的關(guān)鍵因素。底盤強(qiáng)度耐久性能開發(fā)中，單件和系統(tǒng)自動(dòng)化算法雙措并舉、相輔相成、同步自動(dòng)化運(yùn)行，極大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。